核島主設(shè)備蒸汽發(fā)生器主承壓焊縫焊接工藝研究

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518124）

0 前言

壓水堆核電站由核島與常規(guī)島及BOP系統(tǒng)組成。核島系統(tǒng)主要由反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器等核島主設(shè)備構(gòu)成[1]。蒸汽發(fā)生器將反應(yīng)堆壓力容器產(chǎn)生的熱量通過熱交換傳給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，產(chǎn)生蒸汽對(duì)常規(guī)島的汽輪機(jī)做功。蒸汽發(fā)生器是分割核島與常規(guī)島的壓力邊界，是一回路與二回路的交換樞紐[2]。在核島運(yùn)行過程中蒸汽發(fā)生器需承受熱交換過程中的高溫、高壓與高輻射。蒸汽發(fā)生器一般由大型鍛件殼體與封頭組合焊接形成。大型鍛件之間的焊縫即為蒸汽發(fā)生器的主承壓焊縫。

蒸汽發(fā)生器主承壓焊縫的焊接質(zhì)量關(guān)系核島正常運(yùn)行的基本條件。本文總結(jié)了國內(nèi)各種堆型蒸汽發(fā)生器主承壓焊縫的焊接工藝，比較了不同焊接工藝下的焊縫性能。

1 蒸汽發(fā)生器主結(jié)構(gòu)與材料牌號(hào)

1.1 蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)

目前我國大陸在建的壓水堆核電機(jī)組主要包括 CPR1000（二代改進(jìn)型）、AP1000、EPR、華龍 1號(hào)堆型，上述堆型均為百萬千瓦級(jí)堆型。核島系統(tǒng)主要由反應(yīng)堆壓力容器，蒸汽發(fā)生器等核島主設(shè)備構(gòu)成。蒸汽發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)主要由上封頭、上部筒體、錐形筒體、下部筒體、管板與水室封頭等8、9個(gè)大型鍛件裝焊組合而成[3]，以華龍1號(hào)蒸汽發(fā)生器為例，如圖1所示，每臺(tái)蒸汽發(fā)生器的主承壓焊縫為7、8條。

圖1 蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意

1.2 蒸汽發(fā)生器鍛件母材

蒸汽發(fā)生器的大型鍛件的母材均為低合金高強(qiáng)度鋼。不同堆型的蒸汽發(fā)生器母材牌號(hào)如表1所示，其中18MND5與20 MND5屬于RCC-M標(biāo)準(zhǔn)體系材料牌號(hào)，SA508Gr3Cl2屬于ASME標(biāo)準(zhǔn)材料。20MND5主要應(yīng)用于EPR堆型項(xiàng)目，其他應(yīng)用核電項(xiàng)目較少，且其性能與18MND5相近。為便于總結(jié)比較，相關(guān)討論主要基于18MND5與SA508Gr3Cl2牌號(hào)材料。

表1 不同堆型蒸汽發(fā)生器鍛件母材牌號(hào)

根據(jù)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)2007版第Ⅱ卷[4]，18MND5材料的成分組成見表2。根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)2007版第Ⅱ卷A分卷[5]，SA508Gr3Cl2材料的成分見表3。

2 焊接材料與焊接工藝

2.1 焊接材料

因蒸汽發(fā)生器鍛件母材為SA508Gr3Cl2或18MND5，常用焊接工藝有焊條電弧焊和埋弧焊，按照母材與焊材匹配原則，焊條電弧焊工藝選用的焊材為E9018-G低合金鋼焊條，其低合金鋼焊條熔敷金屬化學(xué)成分要求如表4所示。

埋弧焊焊絲為F9A8-EG-F3N，其熔敷金屬化學(xué)成分要求如表5所示。

表2 18MND5材料化學(xué)成分 %

表3 SA508Gr3Cl2材料化學(xué)成分 %

表4 低合金鋼焊條熔敷金屬化學(xué)成分 %

表5 低合金鋼埋弧焊絲/焊劑熔敷金屬化學(xué)成分 %

2.2 焊接工藝

2.2.1 主承壓焊縫結(jié)構(gòu)

主承壓焊縫對(duì)接形式基本為兩個(gè)大型鍛件筒體在軸線方向的對(duì)接，如圖2所示。

圖2 主承壓焊縫對(duì)接示意

焊縫處的母材厚度約為100～200 mm。絕大部分焊縫接近或超過100 mm，部分焊縫厚度約180 mm。

2.2.2 焊接位置

蒸汽發(fā)生器主承壓焊縫焊接基本采用平焊位置，將蒸汽發(fā)生器組件放置在滾輪架上，焊接過程中蒸汽發(fā)生器繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)焊接過程中的平焊位置，如圖3所示。如采用埋弧焊工藝，受工藝本身所限，只能采用平焊位置。如采用焊條電弧焊工藝，為保證焊接質(zhì)量，優(yōu)先采用平焊位置，在平焊無法實(shí)現(xiàn)的情況下，可采取立焊（向上）或仰焊。

圖3 平焊焊接位置示意

2.2.3 焊接工藝與設(shè)備

主承壓焊縫的焊接工藝有埋弧焊[6-7]與焊條電弧焊。為提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，絕大部分主承壓焊縫的焊接均采用埋弧焊。在無法實(shí)現(xiàn)焊縫背面清根的焊縫，會(huì)先采用焊條電弧焊在主環(huán)縫內(nèi)壁進(jìn)行焊接，然后進(jìn)行外壁清根，清根后在主環(huán)縫外壁進(jìn)行埋弧焊焊接。相比埋弧焊，焊條電弧焊效率低，易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷。埋弧焊設(shè)備示意如圖4所示，埋弧焊采用直流反接，焊條電弧焊示意如圖5所示，埋弧焊采用直流反接。

圖4 埋弧焊焊接設(shè)備

圖5 焊條電弧焊焊接設(shè)備

2.2.4 主承壓焊縫坡口

蒸汽發(fā)生器焊縫形式主要有兩種[8]：一種為雙面坡口，經(jīng)常采用U+V型坡口，即V型部分為焊條電弧焊，U型部分為埋弧焊，如圖6所示；另一種為單面U型坡口，全部采用埋弧焊，如圖7所示。

圖6 主承壓焊縫U+V型坡口

2.2.5 預(yù)后熱與層間溫度

圖7 主承壓焊縫單U型坡口

18MND5與SA508Gr3Cl2均為低合金高強(qiáng)度鋼，合金元素含量相對(duì)較高。因此兩種材料在焊接過程中的冷裂紋敏感性都比較高。相關(guān)研究結(jié)果表明：SA508Gr3Cl2的碳當(dāng)量比18MND5高，其冷裂紋敏感性高于18MND5[9]。此外主承壓焊縫焊接均采用低合金鋼焊材，焊材的熔敷金屬同樣具有較高的冷裂紋敏感性。

為降低主環(huán)縫的冷裂紋發(fā)生傾向，需要在承壓焊縫焊接前進(jìn)行預(yù)熱處理，焊后進(jìn)行后熱，焊接過程控制層間溫度以降低焊接過程中焊縫的拘束應(yīng)力，減少焊縫金屬及母材的氫含量，從而達(dá)到控制焊接冷裂紋的目的[10]。

在核島蒸汽發(fā)生器主環(huán)縫焊接過程中：

（1）預(yù)熱溫度≥150℃。如部分鍛件的碳當(dāng)量或冷裂紋敏感系數(shù)偏高，或部分焊縫母材厚度偏厚，可以適當(dāng)提高至175℃。

（2）層間溫度控制≤250℃。

（3）后熱溫度溫度范圍一般為200～450℃，后熱時(shí)間為至少2 h。加熱范圍：焊接及鄰近150 mm母材范圍。在實(shí)際焊接過程中，后熱工序一般采用250～400℃，后熱時(shí)間為4 h。如焊接完成后立即進(jìn)行消應(yīng)力熱處理操作，則后熱操作可不必單獨(dú)執(zhí)行。

2.2.6 焊接參數(shù)

埋弧焊焊接參數(shù)如表6所示。焊條電弧焊焊接參數(shù)如表7所示。

表6 不同堆型蒸汽發(fā)生器鍛件母材牌號(hào)

2.2.7 消應(yīng)力熱處理

為降低主承壓焊縫焊接過程中產(chǎn)生的拘束應(yīng)力，在主環(huán)縫焊接完成后需進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。消應(yīng)力熱處理優(yōu)先采用進(jìn)爐熱處理，將蒸汽發(fā)生器主環(huán)縫相關(guān)組件整體進(jìn)行進(jìn)爐熱處理。熱處理一般采用大型燃?xì)鉅t，如圖8所示。

表7 焊條電弧焊焊接參數(shù)

圖8 大型燃?xì)鉄崽幚頎t

部分主承壓焊縫因條件受限，無法進(jìn)行整體進(jìn)爐熱處理。需采取部分局部熱處理工藝進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。環(huán)縫區(qū)域采用環(huán)縫整圈包電加熱板及保溫設(shè)施進(jìn)行局部熱處理，如圖9所示。

圖9 局部消應(yīng)力熱處理示意

熱處理過程中，室溫～350℃為自由加熱溫度區(qū)間。350～595℃區(qū)間的升降溫速率應(yīng)控制在≤55℃/h。消應(yīng)力熱處理保溫溫度范圍為595～620℃，熱處理保溫時(shí)間為t，t應(yīng)根據(jù)主環(huán)縫的厚度進(jìn)行計(jì)算，熱處理溫度曲線如圖10所示。

3 焊縫力學(xué)性能與金相檢驗(yàn)

對(duì)18MND5與SA508Gr3Cl2分別進(jìn)行焊條電弧焊和埋弧焊焊接試驗(yàn)。焊接參數(shù)如表6、表7所示。焊后進(jìn)行24 h模擬消應(yīng)力熱處理，待PT、UT、RT等無損檢測合格后進(jìn)行理化分析檢測。

圖10 熱處理溫度曲線

3.1 化學(xué)成分

采用E9018-G低合金鋼焊條進(jìn)行焊條電弧焊。焊縫未稀釋熔敷金屬化學(xué)成分見表8。采用低合金鋼埋弧焊絲焊劑進(jìn)行埋弧焊，焊縫未稀釋熔敷金屬化學(xué)成分見表9。

3.2 力學(xué)性能

按RCC-M 2007標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)工藝評(píng)定試驗(yàn)要求執(zhí)行18MND5的力學(xué)性能試驗(yàn)，按ASME標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)試驗(yàn)要求執(zhí)行SA508Gr3Cl2的力學(xué)性能試驗(yàn)。兩種材料的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表10、表11。18MND5與SA508Gr3Cl2的手工焊和埋弧焊試板的拉伸性能良好，試驗(yàn)性能穩(wěn)定，均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。

3.3 金相檢測

焊縫區(qū)金相照片如圖11～圖14所示。由微觀金相圖可知，18MND5與SA508Gr3Cl2的手工焊和埋弧焊的焊縫組織均為貝氏體+鐵素體，其中鐵素體呈針狀，貝氏體為粒狀組織。

表8 E9018-G低合金鋼焊條熔敷金屬化學(xué)成分 %

表9 低合金鋼埋弧焊絲焊劑熔敷金屬化學(xué)成分 %

表10 18MND5焊接試驗(yàn)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表11 SA508Gr3Cl2焊接試驗(yàn)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）蒸汽發(fā)生器用鍛件18MND5與SA508Gr3Cl2材料均為低合金鋼高強(qiáng)度鋼，冷裂紋敏感性較高。焊接前后必須進(jìn)行預(yù)熱處理。SA508Gr3Cl2材料的冷裂紋敏感系數(shù)要高于18MND5。

（2）蒸汽發(fā)生器主承壓焊縫焊接后需進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，以降低焊接過程產(chǎn)生的拘束應(yīng)力。

（3）蒸汽發(fā)生器主承壓焊縫的焊接材料一般采用低合金鋼焊條與低合金鋼埋弧焊絲焊劑。

圖11 SA508Gr3Cl2手工焊焊縫金相組織

圖12 SA508Gr3Cl2埋弧焊焊縫金相組織

圖13 18MND5手工焊焊縫金相組織

（4）在全焊縫能實(shí)現(xiàn)埋弧焊的焊縫，可采用單U型坡口，只使用埋弧焊進(jìn)行主承壓焊縫焊接，以提高焊接效率與焊接質(zhì)量。

圖14 18MND5埋弧焊焊縫金相組織

（5）在不能避免手工焊的焊縫，采用U+V型坡口，先進(jìn)行主承壓焊縫內(nèi)壁的焊條電弧焊；外壁清根后，再進(jìn)行外壁埋弧焊接。

（6）采用合適的焊接參數(shù)，焊條電弧焊焊縫與埋弧焊焊縫的化學(xué)成分與力學(xué)性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。